基于单片机的直流电机调速系统的设计_胡永红.docx

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1、DOI: 10.16204/j .cnki.sw.2014.04.004 Signal Process & System 信号与系统 摘要：讲述了一种采用 AT89C51系列单片机控制 PWM信号从而实现对直流电机转速进行控制的 方法。系统使用了测速发电机对直流电机的转速进行测量，经过滤波电路后，将测量值送到 A/D 转换器，并且最终作为反馈值输入到单片机进行 PI运算，从而实现了对直流电机速度的控制。另外 单片机控制直流电机调速系统可通过键盘读取输人调节直流电速度并且显示档位功能。 关键词： AT89C51单片机；直流电机； PWM信号；测速发电机；数码管 中图分类号： P311.52 文献

2、标识码 ： A 文章编号： 1006-883X(2014)04-0027-04 投稿曰期： 2013 11 14 圏？里片顧的直涌电顧涸鹿系统的设计 胡 永 红 王 福 明 中北大学计算机与控制工程学院，山西太原 030051 、引言 随 ; -着各种各样的微处理器的发展，国外对直流电 4 几调速系统的研究也在不断的发展和完善，尤 其在 80年代在数字控制方面的研究达到空前的繁荣， 大型直流电机的调速系统通常采用晶闸管整流来实现 调速的，为了提高调速系统的性能，研究者对晶闸管 触发脉冲提出了内模控制的算法，提出了用 I-P控制 器取代 PI调节器的方法，另外有的提出了模糊 PID算 法和自适应

3、 PID算法等等。 单片机使在设计方法和设计思想改变了传统的控 制系统。以前采用硬件电路来实现控制功能，现在正 在使用单片机，通过单片机软件的方法来实现功能。 现在还可以用单片机代替以前的 PID调节来实现具有 智能化的数字计算控制、模糊控制以及自适应控制。 这种以软件取代硬件的方法能提高系统性能，基于目 前国内外的研究状况，随着单机应用的推广，电机的 发展。把单片机应用到电机领域已经是一个重要课题。 本设计主要研究的是运用单片机和 A/D转换器， 用数字化调速系统代替传统的模拟调速系统。数字化 调速系统具有能提高运行的可靠性；能提高调速性； 电机采用数字电路，电机的抗干扰能力得到大大加强；

4、数字系统的技术性能指标很高等特点 m。 二、总体系统设计 1、总体系统设计框图 在单片机控制直流电机调速系统中，采用了两片 AT89C51系列单片机来控制 PWM信号，其中一片作 为 PID运算器，通过改变其占空比来改变直流电机的 电枢电压从而改变电机的转速。 另外，使用了测 速发电机对直流电机的转速进行 速度测量，然后经过滤波电路滤波后，把测量值送到 A/D转换器 ADC0809， 经过模数转换器后，最终作为 反馈值输入到单片机中进行 PID运算，用所得出输出 结果经数模转换后来改变 PWM信号的占空比从而达 到对直流电机调速的目的。 此外，图中的键盘是 16位的按键，可以用数码管 |传感器

5、世界 2014.04 _ I Vol.20 NO.04 Total 226 信号与系统 Signal Process & System 来显示其输出的速度大小，方便观察，还采用了三位 共阳极的 LED数码管来实现电机速度的显示 2。 (1)直流电机调速方案选择 直流电机转速的表达式： n=UaIaRa Ce0 其中， 电枢供电电压； 兄一电枢回路串电阻； 一励磁磁通； la一电枢电流； 一电机转速； Ce一 电机常数。 式中可以成为变量的是尺 ,、少三个参量，只 要是改变其中的一个，就可以达到改变电动机的转速 的目的，由此可得出直流电动机有三种基本调速方法， 第一种是电枢回路串电阻兄调速，第二

6、种是改变电枢 供电电压来调速，第三种是改变励磁磁通少来调速。 通过以上三种调速方案的叙述与比较，采用了 PWM信号占空比来改变平均电压，从而控制电机的电 源电压，达到控制其转速的目的。所以采用第二种调 速方案，即改变电源电压来改变电机的速度 3。 2、系统硬件的设计 图 2所示为总电路图，共有四部分组成。 第一部分：键盘和 LED数码管相连， LED数码 管采用了共阳极的，键盘是 16位的，系统中共用 4个 键盘，一个用于启用键盘，一个用于速度的加 1，一 个用于速度的减 1，最后用于把键盘数字输入单片机， 键盘与数码管与单片机P0相连； 第二部分： PWM信号发生器，该部分由 1个单 片机，

7、 2个 4585数值比较器和一个 4040计 数器相组 合 4 3、 电机的驱动电路的设计 根据主电路的结构，在功率变换装置中，功率开 关器件一般釆用隔离驱动和直接驱动两种方式。美国 IR公司生产的 IR2110驱动器，具有光耦隔离和电磁 隔离两个优点，在中小功率变换装置中驱动器件应用 广泛。 IR2110内部功能由逻辑输入，电平平移和输出 保护三部分组成。 IR2110的特点可以为装置的设计带 来许多方便，一组电源就可以实现对上下端的控制 5。 4、 电机的测速部分 当打开电源后，系统的主单片机和从单片机初始 化，显示器也初始化，初始化后调用按键子程序，如 果有键按下，就执行键处理子程序，把

8、得到的结果发 送给从单片机（ PID控制器 ） ， PID经过计算，将结 果作为电机速度的设定值，计算 PWM信号的设定值， 经 PID计算出 PWM信号。测速发电机把测量结果经 28 传感器世界 2014.04 Vol.20 NO.04 Total 226 I Signal Process & System 信号 与系统 滤波电路，再经过 A/D转换器送给主单片机 ， 主单片 机把接收的结果发送给 PID控制器，根据和设定值比 较后，将结果经 PID输出相应的 PWM信号控制电机 的调速，多次循环以趋于设定值，达到调速的目的。 三、系统软件的设计 根据系统出现的偏差，系统一旦出现偏差，比例调

9、 节就会立即产生减少系统偏差作用。如果比例作用大， 可以减少误差，同时加快调节。但是比例不能过大。 积分的作用是消除系统稳态误差，微分作用是偏差信 号的变化率。 在 PI系统中完成 PI控制规律的那部分称为 PI控 制器。它是一种线形控制器，用输出火 /)和给定量 之间的误差的时间函数 (冷 )= )-jW)来表示 PID控制 规律 6。 PID控制器框图如图 3所示。 比例 （ P)控制器公式： u(t)=Kpe(t) (2) 比例积分 （ PI)控制器公式： ut): et)dt (3) 比例积分微分 （ PID)控制器公式 : u(t) = K p 1 i e(t)dt + Td de(

10、t) / dt 式中， A； 比例运算放大系数 ; (4) Td一微分时间； 7； 积分时间。 3、主程序流程图 当打开电源后，系统的主单片机和从单片机初始 化，显示器也初始化，初始化后调用按键子程序，如 果有键按下，就执行键处理子程序，把得到的结果发 送给从单片机（ PID控制器 ） ， PID经过计算，将结 果作为电机速度的设定值，计算 PWM信号的设定值， 经 PID计算出 PWM信号。测速发电机把测量结果经 滤波电路，再经过 A/D转换器送给主单片机，主单片 机把接收的结果发送给 PID控制器，根据和设定值比 较后，将结果经 PID输出相应的 PWM信号控制电机 的调速，多次循环以趋于

11、设定值，达到调速的目的 7。 其流程图如图 4所不。 四、系统测试结果 系统硬件和软件设计完成后，对系统进行测试， 电机在各档设定转速与显示转速比较结果如表 1所示。 由测试数据可以看出，当转速越大时，调速效果就越 好，误差越小；相反，转速越小时，调速效果就越差， 误差较大。 表 1系统测试结果 传感器世界 2014.04 _ Vol.20 NO.04 Total 226 信号与系统 Signal Process & System 五、结束语 直流电机调速系统采用单片机 AT89C51， 采用 PWM信号软件方法比其它用硬件或者硬件与软件相结 合的方法来实现对直流电机调速具有简单方便，易于 控

12、制等特点，PWM信号能够充分发挥单片机的功能， 对于简易速度控制系统的实现来说提供了一种有效方 法。 参考文献 1 张友德等，单片机原理应用与实验 M,上海：复旦大学出 版 ,1992. 2 何立民 .单片机应用技术选编 M.北京：北京航空航天大 学出版社 ,2003 3 陈伯时，电机与拖动 M,北京：清华大学出版社 ,2009 4 李维军，韩小刚，李晋，基于单片机用软件实现直流电机 PWM调速系统 J,机电一体化期刊 ,2004.(5):49-51 5陈锟，危立辉，基于单片机的直流电机调速器控制电路 J, 中南民族大学学报（自然科学版） ,2003.(9):1-20 6 朱定华，戴汝平编著，

13、单片机原理与应用 M,北京：清华 大学出版社，北方交通大学出版社 ,2003.8. 7刘大茂，严飞，单片机应用系统监控主程序的设计方法 J, 福州大学学报 （ 自然科学福建农林大学硕士论文版 ） ,1998. (1):43-47 Design of a DC motor speed control system based on single-chip HU Yong-hong, WANG Fu-ming Computer and control engineering college, North University of China, Taiyuan 03005 l,C7z/a) Abs

14、tract: A method for DC motor speed control by using AT89C51to control PWM signals is described in this paper. The system adopts a tachometer generator for DC motor speed measurement. After filtering process, the measured data are sent to the A/D converter, and eventually input into the microcontroll

15、er for calculation as PI feedback, thus the DC motor speed control is realized. Also in the DC motor speed control system, the speed of regulating DC motor can be read by the keyboard and stall features can be displayed Keywords: AT89C51 microcontroller; DC motor; PWM signal; tachometer generator; nixie tube 作者简介 胡永红，中北大学计算机与控制工程学院，硕士研究生， 研究方向：控制理论与控制工程。 通讯地址：山西省太原市尖草坪区学院路 3号中北大 学学生信箱 529 邮编： 030051 E-mail:bzhyhl234 王福明，中北大学现代教育技术与信息中心，教授， 硕士生导师，研究方向：信号与信息处理、图像处理、 信息安全 30 传感器世界 2014.04 Vol.20 NO.04 Total 226 I